多聚物改善膜生物反应器混合料液物化特性促进持续过滤机理研究

The research will foucus on development of dedicated hybrid polymers and mechanism expolration on these polymers' effects on membrane fouling alleviation and sustainable filtration improvment in membrane bioreactor (MBR). The main scope of studies include: i) assessment and optimization of appropriate monomers and polymers; ii) studying the coorelation between hybrid polymers with substrates (membrane surface and bulk mixed liquor) and its effects on membrane fouling reduction; iii) establishing the modelling equations among modified substrate parameters and membrane fouling; iv) optimization of operating paraments and modes. Research methods to be adopted include: i) Anayses of membrane filtration resistences components, specific cake resistences, compress index and their variation with various modified substrates with different hybid polymers addition; ii) microscopic investigation of foulants on the surface of membrane; iii) quantitative analysis and statistical correlation of morphlogical, physical, chemical and bilogical characeristics of the substrates; iv) identification of key fouling factors and their effects on membrane fouling mechanism. The experiments will be carried out on both batch and continous modes as well as with comparison and benchmark testings. Scanning electron microscope and three dimensional laser scanning confocal microscope observation will be used for studying biofilm / cake layer structure, monitoring the evolution of membrane fouling and assessment of the effects of surrounding factors.

项目拟通过膜生物反应器高效复合多聚物的开发及其对膜污染缓解机理的探索，达到有效降低膜污染、提高MBR长期可持续过滤性能的目的。主要研究内容包括单体和复合多聚物的评价和优化筛选；复合多聚物与活性污泥混合液的交互关系（膜表面和混合液）及其延缓膜污染的机理探索；建立改性基质特性参数与膜污染的计量关系数学模型；复合多聚物投加方式和操作参数的优化等。研究手段包括：膜过滤阻力的组成分析及复合多聚物添加后料液的过滤阻力分布演化规律，滤饼层比阻和压缩指数的考察；膜表面污染形态的微观分析；料液形态、物理、化学和生物特性的定量分析及统计学关联；主要污染因子的鉴别及其影响膜污染的机理。实验设计将结合间歇与连续实验；对照与平行实验等方式来开展。此外，扫描电子显微镜和三维激光扫描共聚焦显微镜图像分析技术将被用于观察和比较膜面生物膜结构，监控膜污染的发展及评估环境因素对生物膜结构的影响。

膜生物反应器运行过程中出现的膜污染导致膜通量下降，增加膜组件更换和膜清洗的频率，严重影响了MBR技术的经济性和实用性。通过向膜生物反应器中投加过滤助剂，可改善活性污泥混合液的性质，从而减缓膜污染进程。本课题对减缓膜污染的多聚物过滤助剂进行筛选，并在此基础上开发了新型复合助剂，确定多聚物的投加方式和操作参数的优化，探究复合多聚物延缓膜污染的机理。获得的主要结论如下：.（1）聚胺和聚二烯丙基二甲基氯化铵絮凝剂对活性污泥短期过滤性能的改善效果很好，且有效剂量范围宽。聚胺类选择C581，最佳投加量为400 ppm；聚二烯丙基二甲基氯化铵选择PD-LY-1和PD-LY-2，最佳投加量为400 ppm。阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂所需投加量少，但有效剂量范围较窄，在长期MBR运行过程中会带来较高的风险，不考虑使用。.（2）不同的多聚物之间根据合适的比例进行复配可大大提升多聚减缓膜污染的效果，同时降低多聚物的使用费用。固定PAX：A110＝50:1时，PAX/A110的投量应该在125/2.5 mg/L 与750/15 mg/L之间。适量聚丙烯酰胺物PAX与A110复配使用的效果要优于PAX单独使用。.（3）多聚物的投加会影响MBR中微生物的代谢能力。多聚物的投加频率与DHA浓度及TMP的增长速率之间有着明显的线性关系。多聚物的投加方式对抗膜污染效果的提升具有重要意义。当初始投量和补加总量一致时，高频率低剂量的补加方式显著提高了膜的抗污染效果，延长了MBR的运行时间。.（4）加过滤助剂对MBR生物活性未见显著影响，体系COD和NH4-N脱除效果无明显差异。同时，无机过滤助剂还能通过化学除磷强化MBR对TP的去除。投加K-PFS(28%)+PD-LY-2和PAX-WD的MBR的出水TP去除率达98%以上。.（5）研究指出，有机过滤助剂通过改善污泥表面Zeta电位强化絮凝，使得污泥絮体平均粒径增加，污泥脱水性能提高。PD-LY-1和C581使污泥絮体平均粒径大幅度增加，而铝盐PAX-WD对污泥絮体粒径的改变效果并不明显。过滤助剂能有效降低MBR上清液中的SMP，减缓膜污染第一阶段和第二阶段进程，减少大分子物质形成生物高聚物从而抑制膜污染。